Màu sắc tấm dày

52

Màu sắc tấm dày

Ứng viên khoa học sư phạm
Y. E. AMSTISLAVSKY

Ai trong số các bạn lại không ngưỡng mộ lối chơi cầu vồng của màu sắc trong màng xà phòng, sự đa dạng của các sọc màu sắc rực rỡ có hình dạng phức tạp trong màng dầu trên nhựa đường biển (hoặc trên mặt nước) hoặc các biểu hiện tương tự khác của sự giao thoa màu trắng trong màng mỏng? Có thể quan sát một hình ảnh như vậy trong điều kiện phòng thí nghiệm? Làm thế nào để giải thích nó?

Nhìn chung, sự giao thoa của ánh sáng được thảo luận chi tiết trong môn vật lý phổ thông lớp mười. (Đặc biệt, nguồn gốc màu sắc của màng mỏng được giải thích ở đó.) Ở đây, sẽ rất ít nói về bản thân sự giao thoa, chỉ nói những điều cần thiết để hiểu nội dung bài viết.

Giao thoa ánh sáng là sự chồng chất của hai (hoặc nhiều) sóng ánh sáng, trong đó các vùng giao nhau thường xuyên xuất hiện các vùng có cường độ ánh sáng tăng và giảm trong không gian. Kiểu giao thoa sẽ ổn định nếu các sóng chồng lên nhau nhất quán, hay như người ta nói, kết hợp: tần số dao động bằng nhau và độ lệch pha không đổi theo thời gian.

Trước khi có sự ra đời của tia laser, các chùm ánh sáng kết hợp chỉ có thể được tạo ra bằng cách tách các chùm tia đến từ cùng một nguồn. Do đó, trong trường hợp màng (hoặc lớp xen kẽ), vân giao thoa được tạo ra bởi các tia phản xạ bởi tính hai chiều của màng. Trong ánh sáng đơn sắc, hình ảnh xuất hiện

53

là các sọc sáng tối xen kẽ, có sọc trắng sáng và sọc tối.

Như kinh nghiệm cho thấy (và các tính toán đã xác nhận điều này), hình ảnh sẽ chỉ rõ và sáng nếu độ dày màng không vượt quá hàng chục micromet (nhỏ hơn hàng trăm lần so với độ dày trung bình của sợi cơ người!).

Tuy nhiên, có một trường hợp đặc biệt khi các vân giao thoa được hình thành khi lớp xen giữa rất dày. Hiện tượng này được Newton phát hiện và nghiên cứu (và được mô tả trong cuốn “Quang học” của ông xuất bản năm 1704), nhưng cho đến gần đây nó mới chỉ được quan tâm trong lịch sử. Và chỉ có sự phát triển nhanh chóng trong những năm gần đây nhất của các phương pháp giao thoa ánh sáng khuếch tán mới thổi sức sống mới vào hiện tượng do Newton phát hiện.

Bản chất của hiện tượng này là gì? Tuy nhiên … mọi thứ đều theo thứ tự. Hãy bắt đầu với các thí nghiệm và sau đó chúng tôi sẽ cố gắng giải thích chúng.

Làm thế nào để xem màu của các lớp trên cùng?

Một trong những thí nghiệm về sự giao thoa của ánh sáng khuếch tán (tán xạ) có thể được kiểm tra bằng cái gọi là gương bụi. Để thực hiện các thí nghiệm, cần có những thiết bị rất khiêm tốn: pin đèn pin 4,5 V, bóng đèn 3,5 V, một chiếc gương gia dụng thông thường (tốt nhất là loại mỏng) có kích thước khoảng 1 dm2 và một đoạn dây điện thoại.

Để biến bóng đèn thành nguồn sáng thích hợp cho thí nghiệm, bạn thực hiện như sau. Hàn hai dây vào mạch bóng đèn; trong quá trình thí nghiệm, bạn sẽ kết nối các đầu đối diện của chúng với các điện cực của pin. Cắt một dải giấy gói nhỏ màu đen, cuộn nó lại thành một chiếc túi nhỏ, đặt nó lên bóng đèn từ phía chân đế và dán keo để tạo thành một chao đèn nhỏ màu đen.

Khi chuẩn bị gương cho các thí nghiệm, cần phủ một lớp phủ tán xạ lên bề mặt của nó. Cách dễ nhất để làm điều này là sử dụng sữa pha loãng. Trộn một thìa sữa với 4-5 thìa nước, sau đó đổ 0,5-1 thìa cà phê dung dịch lên gương đặt trên bàn và thêm chất lỏng phân bố đều trên toàn bộ bề mặt gương. Sau đó, để gương khô trong vài phút.

Nếu có thể cung cấp cho gương một lớp phủ kim loại (những chiếc gương như vậy có sẵn trong lớp học vật lý của trường), thì có thể tạo ra một chiếc gương mỏng “thoáng mát”. Để thực hiện việc này, hãy phủ một lớp phủ tán xạ lên một trong các bề mặt của nhựa ảnh (ví dụ: kích thước 9x12 cm) hoặc một mảnh kính cửa sổ đã được rửa sạch bằng nhũ tương. Sau đó, từ giấy terdan thông thường đến kích thước của gương, cắt một miếng đệm khung hình chữ nhật rộng 0,5-1 cm, đặt khung này lên gương và dùng tấm kính che lại sao cho màng sữa hướng vào mặt gương. Kết quả là bạn sẽ có được một chiếc gương “không khí”, độ dày của nó tương ứng với độ dày của tờ giấy (miếng đệm), tức là ~ 0,1 mm.

Khi tiến hành thí nghiệm, gương được đặt nằm ngang. Trong trường hợp gương tương đối dày (dày 3-6 mm) thì nên đặt trực tiếp trên sàn. Có thể đặt một tấm gương mỏng hơn (1-2 mm) trên ghế. Nếu thí nghiệm được thực hiện với một gương “không khí” mỏng (~0,1 mm), việc đặt gương lên bàn sẽ thuận tiện hơn. Những quan sát tốt nhất là ngẫu nhiên trong phòng tối.

Kiểm tra 1. Cắm bóng đèn vào pin, một tay lấy pin, tay kia lấy dây gần bóng đèn. Đặt bóng đèn giữa mắt và gương, gần mắt sao cho chùm sáng hướng về phía gương, bản thân bóng đèn và mắt gần như vuông góc với gương. Bạn sẽ thấy hệ thống bánh xe giao thoa màu đồng tâm bao phủ phần trung tâm màu trắng.

54

chỗ xấu. Trong trường hợp này, phần giữa của điểm có hình ảnh của nguồn sáng ở giữa sẽ bị ẩn trong khu vực được che chắn bởi chụp đèn. Tuy nhiên, ngay cả khi mắt dịch chuyển ngang một chút, bạn vẫn có thể nhìn thấy hình ảnh này. Bằng cách di chuyển các bóng đèn đến gần mắt hơn và theo hướng ngược lại, bạn có thể bị thuyết phục về sự phát triển nhanh chóng của các bánh xe ở lớp đầu tiên và độ dốc của hình ảnh ở lớp thứ hai.

Kiểm tra 2. Đặt bóng đèn vào khoảng giữa mắt và gương và quan sát sự thay đổi của hình ảnh khi mắt di chuyển sang một bên. Khám phá ảnh hưởng định tính của độ dịch chuyển của mắt, cũng như vị trí ban đầu của bóng đèn, đến cấu hình của “bánh xe”, chiều rộng của chúng và màu sắc của khu vực trung tâm của hình ảnh.

Kiểm tra 3. Đưa bóng đèn trực tiếp vào mắt bạn. Dịch chuyển nó một chút theo hướng ngang, bạn sẽ thấy một hệ thống các sọc giao diện có màu gần như thẳng và khá rộng với hình ảnh một nguồn sáng ở giữa sọc trắng trung tâm. Đặt không gian theo hướng vuông góc với hướng dịch chuyển của bóng đèn.

Thật thú vị khi quan sát sự định hướng lại và biến dạng của các sọc khi nguồn sáng di chuyển dọc theo vòng tròn quanh mắt, rồi dọc theo một trong các đường kính của nó. Để đạt được mục đích này, trước tiên hãy đặt bóng đèn gần sống mũi, sau đó di chuyển nó đến lông mày rồi dọc theo vòng tròn có tâm ở vùng đồng tử, rồi dọc theo đường kính “qua đồng tử”.

Một minh họa cho những gì đã nói có thể là 摄影InterFERENCEHONICS卡特in, được hiển thị trong Hình 1 và 2. Hình ảnh chiếu lên màn hình trên nền của thước đo.

Hai cái đầu tiên 摄影（xem. hình 1) thu được dưới dạng tia phản xạ từ một tấm gương “không khí” mỏng có lớp phủ tán xạ dưới dạng lắng đọng amoni clorua trên kính. Ảnh a) được chụp với gương ở vị trí bình thường, khi nguồn sáng và quang tâm của thấu kính chiếu (tương tự vai trò của nó đối với thấu kính của mắt) nằm trên cùng một đường pháp tuyến với gương. Nguồn sáng - đèn chiếu phim; ảnh của nó hiện rõ ở phần giữa của điểm trung tâm (ở giữa ảnh có bóng của một gương phụ nhỏ). Độ dày của gương không khí là ~ 0,1 mm. Ảnh b) được chụp với gương nghiêng mạnh (~45°); nguồn sáng - khe được chiếu sáng; độ dày gương ~ 0,03 mm.

Các bức ảnh được sao chép trên hình 2 được thu được bằng các tia truyền qua bằng cách sử dụng cái gọi là

55

một bộ khuếch tán phức tạp (chúng ta sẽ nói về nó sau) với độ dày ~ 0,5 mm. Nguồn sáng trong thí nghiệm này là một bóng đèn nhỏ công suất 10 watt có hình xoắn ốc thẳng (hình của nó nằm ở phần giữa của bức tranh). Simok a) được chế tạo với sự sắp xếp bình thường của một bộ khuếch tán phức tạp, simok b) được chế tạo với sự chồng lên nhau một chút của bộ khuếch tán (~3°).

Một bộ khuếch tán phức tạp là gì?

Như đã biết, sự phản xạ ánh sáng từ mặt phân cách giữa hai môi trường có thể là phản chiếu hoặc khuếch tán. Tất cả các định nghĩa đều liên quan đến kích thước của những bất thường ở bề mặt phân cách với bước sóng của ánh sáng tới.

Nếu độ sai lệch nhỏ so với bước sóng thì xảy ra hiện tượng phản xạ gương. Khi những điểm không đều tương xứng với bước sóng ánh sáng hoặc vượt quá nó và sự sắp xếp của những điểm không đều đó là ngẫu nhiên thì hiện tượng phản xạ khuếch tán xảy ra. Trong trường hợp này, giao diện giữa các phương tiện sẽ phân tán ánh sáng theo mọi hướng có thể. Bề mặt này được gọi là bộ khuếch tán.

Bây giờ hãy xem xét một hệ thống quang học gồm hai bộ khuếch tán phẳng và song song I’ và I’’ (hình 3). Chúng ta hãy giả sử rằng các bộ khuếch tán này, bao gồm nhiều trung tâm tán xạ không đồng đều phân bố hỗn loạn, giống hệt nhau, tức là sự phân bố và tính chất của các hạt tán xạ của bộ khuếch tán thứ hai lặp lại một cách lý tưởng sự phân bố và tính chất của các hạt của bộ khuếch tán thứ nhất. Nói cách khác, mỗi tâm tán xạ của bộ khuếch tán thứ hai có cặp song sinh riêng trên tâm thứ nhất và các bộ khuếch tán được đặt sao cho các tâm giống hệt nhau của chúng nằm đối diện nhau. Một hệ thống như vậy được kết hợp với một bộ khuếch tán phức tạp.

Cho một bộ khuếch tán phức tạp được chiếu sáng bởi một nguồn ánh sáng trắng chính xác S. Các tia đóng 1a và 2a phát ra từ nguồn bị phân tán tại các tâm C’’ và C’ giống hệt nhau. Các tập hợp tia trung bình hình thành

56

tại điểm $O_3$. Rõ ràng là $O_3C''O'' = O_3C'O'$. Sau đó chúng ta sẽ có
$$\Delta = (SC''O'' - O_3C''O') - (SC'O' - O_3C'O') = (SC'' - O_3C'') - (SC' - O_3C'')$$.

Không cần tính giá trị $\Delta$, chúng tôi sẽ cố gắng rút ra một số kết luận về đặc điểm của mẫu giao thoa được hình thành bởi bộ khuếch tán phức tạp.

1. Hãy bắt đầu với trường hợp nguồn $S$ và điểm quan sát $O$ nằm trên cùng một đường vuông góc với bề mặt bộ khuếch tán. Tại hình 3, dễ dàng nhận thấy rằng sự sắp xếp này được đặc trưng bởi tính đối xứng cơ bản, với $\Delta$ tăng đơn điệu từ 0 khi $r$ tăng. Do đó, mô hình giao thoa là một hệ thống các bánh xe có màu tối và đồng tâm với một điểm trắng ở giữa và một nguồn $S$ ở giữa nó. Đặc điểm đặc biệt của hiện tượng giao thoa trong ánh sáng khuếch tán chính là ở chỗ mẫu giao thoa được hình thành trên nền của nguồn và vẫn rõ ràng bất kể độ dày của bộ khuếch tán $2t$ (và thậm chí cả vị trí của nó).

2. Tốc độ tăng của $\Delta$ với sự thay đổi của $r$ rất lớn so với vị trí của mắt người quan sát trên trục $SO$. Hãy giới thiệu một điểm $S_1$, đối xứng với nguồn chính xác $S$ và nối điểm đó bằng “hình ảnh phản chiếu” của nguồn trong bộ khuếch tán. Từ hình 3, rõ ràng là nếu điểm $O$ trùng với $S_1$ (tức là $b=a$), thì đối với bất kỳ $r$ nào thì đường quang của cả hai tia giao thoa đều giống nhau ($O_3C'' = SC''$ và $O_3C' = SC'$) và $\Delta=0$. Điều này có nghĩa là điểm trắng số 0 chiếm toàn bộ trường quan sát.

3. Một bản chất biến dạng khác của kiểu giao thoa xảy ra khi mắt người quan sát bị dịch chuyển theo phương ngang so với $SO$ bình thường. Ví dụ: để mắt di chuyển đến điểm $O_1$ (hình 4). Từ hình 4 dễ dàng nhận thấy các tia đi từ $S$ đến $O_1$, phân tán trên các phần $A_1''$ và $A_1'$ giống hệt nhau, vẫn sẽ tạo ra $\Delta=0$ ở các góc tán xạ $\theta=0$. Nhưng đồng thời $\Delta=0$ và đối với toàn bộ tập hợp các tia phân tán trong

57

ma khó khăn, mặc dù có thể.*) Việc thay thế nó bằng một thiết bị tương đương - một chiếc gương đầy bụi sẽ dễ dàng hơn nhiều.

Chúng ta hãy xem xét một tấm gương bụi ở dạng bề mặt tán xạ mờ phẳng $I'$ và bề mặt phản chiếu gương $I$ (hình 5) song song với nó. Để các bề mặt $I'$ và $I$ được ngăn cách bởi một lớp không khí ($n=1$) có độ dày $t$. Đường đi của tia trong gương bụi (vạch liền) rõ ràng từ hình 5. Giao thoa khi tia 16 và 26 chồng lên nhau phát sinh do sự tán xạ trên cùng một hạt $C'$ (tia 26 - khi tia sơ cấp 2a rơi vào hạt $C'$ sau khi phản xạ từ gương $I$ tại điểm $B$, chùm tia 16 - khi tia sơ cấp Chùm tia 1a rơi vào cùng một hạt từ phía trên và sau đó phản xạ từ gương $I$ tại điểm $E$ sau khi tán xạ), chúng trở nên kết hợp và có thể giao thoa.

Dễ dàng nhận thấy rằng, không có bất kỳ sự biến dạng nào về hiệu ứng thực hiện, mạch giao thoa từ gương bụi, được biểu thị trên hình 5 bằng các đường liền nét, có thể được thay thế bằng mạch tương đương nhưng dễ đọc hơn, được cho trên hình 5

*) Ví dụ, hãy xem cuốn sách “Quang học của đốm” của M. Franson (M.: Mir, 1980; Chương 3).

Bong bóng trong hành tây
(Để bắt đầu, xem trang 22)

Nhưng chúng tôi muốn chú ý đến quá trình bay hơi của chất lỏng từ thành bong bóng. Có lẽ bạn đã quen với câu nói phổ biến: “bong bóng trong vũng nước có nghĩa là mưa kéo dài”. Chính vì khi mưa lớn hoặc khi trời nhiều mây, độ ẩm không khí tương đối gần 100%, lượng nước bốc hơi từ thành bong bóng là không đáng kể. Hoàn cảnh này “kéo dài” tuổi thọ của những bong bóng lớn chứa nhiều nước ép mùa hè ngon lành. Khi độ ẩm không khí thấp, nước sẽ bay hơi nhanh chóng. Trong không khí khô, lớp mỏng của bong bóng nước sẽ biến mất gần như ngay lập tức. Bạn có thể tự mình thực hiện các phép đo định lượng về tốc độ bay hơi của hơi ẩm nếu có máy đo độ ẩm trong phòng. Tất cả những gì bạn phải làm là uống nước trong đĩa và xem nó bay hơi nhanh như thế nào. Kết quả sẽ phụ thuộc vào số đọc của máy đo độ ẩm được lắp đặt cách xa đĩa nước.